土木工程专业ANSYS初学者经典例题.doc

巷道开挖过程的有限元模型与力学分析

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指导老师：XXX老师

XX大学

2009－2010年度上学期

目录
巷道开挖过程的有限元模型与力学分析 3
有限元模型概述 3
1 建立有限元模型 4
1.1 定义工作文件和工作标题 4
1.2 定义单元类型、实常数和材料 4
1.3 建立几何模型 5
2 网格划分 7
3 加载与初始地应力模拟 8
3.1 设置分析类型 8
3.2施加边界条件 9
3.3 施加上部面压力： 10
3.4 施加重力加速度： 10
3.4 设置加载步骤： 10
3.5 求解初始地应力： 11
3.6 保存分析结果： 11
4 浏览初始地应力的计算结果（后处理） 12
4.1显示变形形状： 12
4.2查看节点结果等值线图： 12
5 开挖巷道求解 16
5.1杀死巷道对应的单元： 16
5.2输入加载步文件： 16
5.3查看杀死巷道单元后的受力情况： 16
5.4求解开挖后的有限元模型： 16
6 浏览查看开挖后的计算结果（后处理） 17
6.1显示变形形状： 17
6.2查看节点结果等值线图： 17
7 应力集中分析 22
8 总结体会 22

巷道开挖过程的有限元模型与力学分析
某半圆形拱巷道断面，参数见图，其所处地质条件为IV级围岩，上覆盖层厚度为100米后，各材料的力学参数见表。
表 物理力学指标参数表
名称
容重（kn/m3)
弹性模量Gpa
泊松比
内摩擦角
凝聚力 Mpa
IV级围岩
28
1.6
0.32
33
0.35
要求：利用单元的生死实现巷道开挖，分析应力的集中区域。
6.8m
50m

有限元模型概述
本题采用ANSYS有限元分析软件模拟巷道开挖过程。由于地下巷道属于细长结构物，即巷道的横断面相对于纵向的长度来说很小，可且假定在围着荷载作用下，在其纵向没有位移，只有横向发生位移. 所以，巷道的力学分析可以采用弹性力学理论中的平面应变模型进行，这是一个较复杂的非线性力学问题。采用ANSYS有限元分析软件对巷道开挖进行模拟时，应首先根据地质条件建立合适的地下有限元分析模型，由于巷道对整个地下空间来说是属于“小孔口问题”，巷道周围出现孔口应力集中，并且应力集中区域影响范围约大于1.5倍的孔口尺寸，因此建几何模型时要选择合适的尺寸，其次采用PLANE42单元类型来分析平面应变问题。接下来设定单元尺寸大小划分网格。然后分步求解载荷，第一步求解初始地应力，第二步杀死巷道对应的单元后求解开挖后的载荷，最后分析巷道周围岩石的、位移、应力、应变的变化。
1 建立有限元模型
1.1 定义工作文件和工作标题
（1）启动ANSYS 程序.
（2）定义工作文件名：执行Utility Menu >File >Change Jobname 命令，在弹出的对话框中输入“xiangdaokaiwa”并选择YES复选框，单击OK按钮。
（3）定义工作标题：执行Utility Menu>File>Change Title命令，在弹出的对话框中输入“xiangdaokaiwamodel”单击OK。
1.2 定义单元类型、实常数和材料
（1）选择分析模块：执行Main Menu>Preferences，选择<Stuctural>复选框，单击OK。巷道开挖属于结构模块。
(2)选择单元类型：执行Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete命令，弹出<Element Type>对话框，单击Add 按钮，弹出<Library of Element>对话框。选择”Structural solid”和“Quad 4node 42”选项，单击OK，在返回到<Element Type>对话框中单击<option>按钮，在弹出对话框中将单元力学模型的区K3设置成“Plane Strain”选项（即平面应变模式)，再单击OK，最后单击单元类型中的<Close>按钮。如图1所示。
这里的单元模型没有几何参数，不需要设置实常数。

图1 设置平面应变模式
（3）设置材料属性：执行Main Menu> Preprocessor> Material Props> Material Models命令，在弹出的窗口中双击<Material Model Available> 列表框中的“Structural\Linear\Elastic\Isotropic”选项，弹出 <Linear Isotropic Material Prorerties for Material Number 1>对话框。在<EX>和<PRXY>文本框中分别输入“1.6E9”及“0.32”,单击OK，。然后双击<Material Model Available>列表中的<Density>,在弹出的对话框中的<DENSY> 文本框中输入“2800”，单击OK，最后退出。如图2所示

图2 设置弹性模量、泊松比及密度
1.3 建立几何模型
模型说明：根据巷道开挖受影响的范围，模拟地层的横向边界距离巷道墙壁可定为两倍巷道宽度（6.8m）即14m，则地层宽度为34.8m,约为35m,巷道的顶拱为三心拱，拱高为1/4墙高即1.7m，整个巷道高度8.5m，巷道埋深为100m，巷道底下设两倍巷道高度即20m。考虑建模时简便，有限元模型的巷道顶部到模型边界为50m，模型上部再加50m的均布载荷，即p=ρgh=2800*10*50=1.400000Pa。如图3所示。
6.8m
50m
8.5m
14m
20m

图3 模型简图
（1）创建三心拱巷道断面：由于用ANSYS创建三心拱难度较大，为了方便高效，这里采用AUTOCAD来创建三心拱巷道断面，并且用DXFTOANSYS软件将AUTOCAD输出的DXF文件转化为ANSYS能够读取的LGW文件。
将xiangdao.lgw文件导入ANSYS中得到图4。

图4 三心拱巷道断面图
（2）创建边界：执行Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>In Active CS命令，弹出当前坐标创建关键点的对话框，名关键点分别是KP15(21,-20,0),KP16(-14,-20,0),KP17(21,58,0),KP18(-14,58,0)。
（3）创建直线：执行Main Menu >Preprocessor >Modeling>Create>Lines >Lines >Straight Line命令，将地层边界连接起来。如图5所示。

图5 几何模型
（4）创建地层面积：执行Main Menu >Preprocessor >Modeling >Create>Areas >Arbitrary>By Lines，创建三个叠加起来的面积。
（5）面积叠加的布尔运算：执行Main Menu>Preprocessor >Modeling >Operate >Booleans>Overlap>Areas 命令，将三个面积进行布尔叠加计算，得到三个独立的面积。
（6）压缩全部编号：执行Main Menu>Preprocessor>Numbering Ctrls>Compress Numbers命令，弹出对话框中选择<All>选项，得到编号压缩的模型。如图6所示。

图6完整的几何模型
2 网格划分
（1）设置单元尺寸大小：执行Main Menu>Preprocessor>Meshing>Size Cntrls >ManualSize>Layers>Picked Lines选项，弹出以线来控制单元尺寸的对话框，选择要划分尺寸的线条，弹出<Element Sizes by Picked Lines>对话框，在对应线条划分数量的文本框中输入一个合适的数字，L1线划分为8段，L9线划分为15段，L10线划分为20段。划分尺寸时应在巷道周围划分相对较小的单元，使巷道内外的网格更加密集，计算更加精确。
（2）自由划分网格：执行Main Menu >Preprocessor >Meshing >Mesh >Areas >Free命令，弹出一个拾取框。拾取面积A1、A2、A3，单击OK，完成自由网格单元划分。如图7所示

图7 自由网格划分
（3）保存网格数据：单击ANSYS TOOLBAL中的<Save_db>按钮。
3 加载与初始地应力模拟
3.1 设置分析类型
（1）设置求解控制：执行Main Menu>Solution>.Analysis type>Solution controls命令，弹出如图所示对话框，如图8设置求解控制。

图8 设置求解控制
（2）设定求解方法：执行Main Menu>Solution>.Analysis type>Analysis option命令，弹出<Statis or Steady analysis>对话框，在“NROPT(NEWTON－－-RAPHSON OPTION)”下拉列表中选择“FULL N—P”选项，单击OK，如图9所示。Newton-Raphson是一种求解非线性方程组的数值方法，简称N-R法。要运用单元生死，就要设定全牛顿-拉普森选项，才能有较好的效果。

图9 在静态与稳态分析对话框中设定全牛顿-拉普森选项
3.2施加边界条件
模型水平左右方向位移为零，底部为固定约束，垂直方向为自由滑动，上部边界受垂直地压力作用。
（1）横向X方向约束和底部全约束：执行Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Displacement>On Lines 命令，弹出一个拾取框。拾取L10和L12，单击OK，弹出如图所示的<Apply U,Rot on Lines>对话框。选择<UX>,并在“Value”中赋值0。单击〈Apply〉再次拾取L9，单击OK，弹出如图10所示的<Apply U,Rot on Lines>对话框。选择<All Dof>,并在“Value”中赋值0。最后单击Ok。

图10 横向X方向约束
（2）关键点约束：执行Main Menu>Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply >Structural>Displacement>On Keypoints命令，弹出一个拾取框。拾取K17和K18，单击OK，弹出如图所示的<Apply U,Rot on Keypoints >对话框。选择<UX>,并在“Value”中赋值0，单击〈Apply〉再次拾取K15和K16，单击OK，弹出<Apply U,Rot on Keypoints >对话框。选择<All Dof>,并在“Value”中赋值0。最后单击Ok。
3.3 施加上部面压力：
执行Main Menu>Solution>Define Loads >Apply >Structural >Pressure>On Lines命令，拾取上部边界线L11，弹出如下对话框。输入压力P＝1.4E6Pa。

图10 <Apply PRES on lines>对话框
3.4 施加重力加速度：
执行Main Menu>Solution>Define Loads>Apply >Structural >Inertia >Gravity >Global命令，弹出惯性力的输入对话框。以对应Y方向加速度文本框中输入10.单击OK。如图11所示。

图11 重力加速度设定
3.4 设置加载步骤：
执行Main Menu>Preprocessor>Loads>Load Step Opts>Write LS File命令，弹出对话框，如图12所示

图12 保存步载荷文件
3.5 求解初始地应力：
执行Main Menu>Solution>Solve>Current LS命令，出现一个<Solution is done>提示框，单击CLOSE按钮，完成求解运算。计算加载数据后得到工作面图形，如图13所示。

图13 初始地应力受力模型

3.6 保存分析结果：
执行Utility Menu >File>Save as命令，弹出<Save as>对话框，输入“xiangdaokaiwamodle”，保存数据库文件。
4 浏览初始地应力的计算结果（后处理）
4.1显示变形形状：
执行Main Menu>General Postproc>Plot Results>Deformed Shape命令，弹出如图所示的<PLOT DEFORMED SHAPE>对话框，单击OK，出现结果如图14所示。

图14 变形对话框

图15 位移等值线
注：最大位移（即最大沉降量）为0.085697m。
4.2查看节点结果等值线图：
执行Main Menu>General Postproc>Plot Results >Contour Plot>Nodal Solu命令，弹出如图所示窗口。可双击选择位移、应力、应变等选项弹出各种等值线图。

图16 X方向的位移分量等值线

图17 Y方向的位移分量等值线

图18 位移矢量和等值线

图19 X方向的应力分量等值线
注：负值表示压应力，正值表示拉应力

图20 Y方向的应力分量等值线

图21 主应力等值线

5 开挖巷道求解
5.1杀死巷道对应的单元：
执行Main Menu>Preprocessor>Loads>Load Step Opts>Other>Birth & Death>Kill Elements命令，弹出<Kill Element>对话框，拾取巷道单元后。单击OK。
5.2输入加载步文件：
执行Main Menu>Preprocessor>Loads>Load Step Opts>Read LS File命令，在弹出的对话框中输入“2”。输入第二步载文件。
5.3查看杀死巷道单元后的受力情况：
Utility menu>select>entities命令，弹出对话框，设置成如图22所示，单击OK，重新显示工作面得到如图22所示。
因为ANSYS有限元分析不能在求解过程中创建新的单元，这里巷道所在单元并不是不存在，而是单元的所有参数很小，如刚度、密度、都被乘了一个很小的因子，所有会引起巷道周围应力重新分布，达到模拟巷道开挖的效果。

图22 选择对象对话框 图23 开挖后受力模型
5.4求解开挖后的有限元模型：
执行Main Menu>Solution>Solve>Current LS命令，进行第二次计算。求解完成后保存。
6 浏览查看开挖后的计算结果（后处理）
6.1显示变形形状：
执行Main Menu>General Postproc>Plot Results>Deformed Shape命令，弹出如图所示的<PLOT DEFORMED SHAPE>对话框，单击OK，出现结果如图24所示。

图24 开挖变形
注：最大位移为0.092374m，则开挖引起的沉降为0.006677m。
6.2查看节点结果等值线图：
执行Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu命令，弹出如图25所示窗口。可双击选择位移、应力、应变等选项弹出各种等值线图。

图25 节点求解数据等值线图

图26 X方向的位移分量等值线
注：X方向的最大位移为0.005565m,发生在左右两帮上，逐渐向两侧递减，成左右对称分布。

图27 Y方向的位移分量等值线
注：Y方向的最大位移与总位移相等，都发生在模型上部。巷道顶板与底板发生较大的位移。

图28 X方向的应力分量等值线
注：X方向的最大应力发生在巷道的四个角落处，巷道四周都是应力集中区域。

图29 Y方向的应力分量等值线

图30 主应力σ1方向应力等值线

图31 X方向的应变等值线

图32 Y方向的应变等值线
7 应力集中分析
通过ANSYS有限元分析软件的单元生死技术对巷道开挖过程的进行全过程分析，可以得到巷道的开挖引起围岩应力场的重新分布的各种数据。
开挖之前，在重力场的作用下模型的最大位移（即最大沉降量）为0.085697m，且发生在模型的上部边界，与实际完全相符，在实际工程中，巷道开挖之前都已发生了沉降，地层应力处于静态稳定状态。第二次计算时模型的最大位移为0.092374m，则开挖引起的沉降为0.006677m。
巷道开挖引起的围岩应力变化的情况以及受影响的围岩范围与开挖面的距离直接相关。影响范围为1~1.5倍的巷道半径，巷道四周最大，逐渐向围岩内部递减。X方向的最大位移为0.005565m,发生在左右两帮上，逐渐向两侧递减，成左右对称分布。Y方向的最大位移与总位移相等，位移大小都是从上往下递减，从图27 （Y方向的位移分量等值线）中可以知道巷道顶板与底板发生较大的位移，顶板有0.05m左右的沉降，底板有0.02m左右的拱起。
巷道周围的围岩最大应力发生在巷道的四个角落处，尤其是在底板的两边应力最为集中最大可达7Mpa的压力，巷道的两帮出现较大的拉力，部分可达0.5Mpa。这此应力集中部位是最容易发生片帮和冒顶。

8 总结体会
在XXX的指导下，通过一段时间对ANSYS有限元分析软件学习，我确实对这个数值模拟软件有了一定的认识和掌握。能够进行基本的结构力学模拟分析，对其建模求解分析过程有了较为初步的掌握，能够进行一般的结构工程模拟分析，尤其是在土木结构方向的工程，如边坡工程、地下巷道和隧道开挖、坝堤稳定性分析、结构稳定性分析等等。
之前也接触过数值分析软件如FLAC3D，但学起来还是有很大的困难，再加上ANSYS是英文版的，更是要克服语言上的障碍，因为有大量的新鲜单词没有见过。原理不懂不要紧还要把界面的单词搞清楚。为了学这个软件我可是真下了不少工夫，一开课就是图书馆借本ANSYS教程来看，先是把基本的界面搞清楚，每个模块都去操作几遍，再按照书上的例子一个一个操作一遍，这样感觉才有点儿入门了，从建模到求解再到后处理整个过程都有了基本的了解。可惜在图书馆这样的书早就被借没，只好把目光朝向网络了，网络上这些资料还真不少，我下载了一本对我们采矿与岩土工程有一点用处的书叫《ANSYS在土木工程中的应用》，基本上我是看了一遍，还对其中的几个例子操作遍，由于其中一些东西实在是太复杂，没有算出结果来的也有，有时候一个知识点不明白，也就去百度那搜一搜，看看一些CAE论坛上有没有相关的资料。总的感觉是这个软件功能太强大了，也很复杂，学起来不是那么容易，真是越往深处学就越感到困难。
目前我对ANSYS的认识与掌握有以下几点：
1. ANSYS功能很强大，能对很多的领域进行数值模拟，模拟效果也比较接近实际。
2. ANSYS建模比较麻烦，用户界面操作不够人性化，习惯了AUTOCAD的建模方式，操作起来不太习惯。
3. ANSYS建模能力不太强，复杂的模型难以建立或者建模过程过于繁索。由于本人对ANSYS不甚了解，就连本题的三心拱都要依靠CAD来转换。
4. 对单元类型的选择不了解，只能拿别人的例子来参考。
5. 感觉求解网格划分与求解模块比较复杂，操作容易出问题。
6. 不会使用APDL命令流，看懂APDL有一定的困难。
7. 模拟的真实度比较难把握，一方面难以把实际的材质、环境等因素用比较接近的单元类型、材料类型来模拟。另一方面求解的方法、过程对结果影响较大。
我也深刻体会到学好这么一个大型有限元分析软件也不是一件容易的事，更不是几周时间就能熟练掌握的事，需要在以后的实际工作进一步加深研究，才能有效提高工作效率与工作质量。相信这次入门学习对以后的进一步学习有一定的帮助。

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